Способ измерения энергетического спектра электронного пучка и устройство для его осуществления

 

1. Способ измерения энергетического спектра электронного пучка путем измерения параметров импульсов электромагнитного излучения, возникающего при взаимодействии пучка со средой , отличающийся тем, что, с целью повышения точности и проведения неразрушающих измерений, взаимодействие электронов осуществляют с последовательностью диэлектрических замедляющих структур с различной степенью замедления, при этом измеряют мощность СВЧ излучения после каждой из диэлектрических замед (/) ляющих структур, а по известной степени замедления волн в структурах и измеренным значениям мощности i излучения судят об энергетическом спектре электронного пучка. СО о: со ее

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

aug С- 01 Т 1/29

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ИБЛНОТ Я, (21) 3571903/18-25 (22) 01.04.83 (46) 23.08.84. Бюл.К 3 1 (72) А.P Борисов, А.Г.Иерлицын, В.В.Захаров, Г.П.Фоменко и А.С.Шлапаковский (71) Научно-исследовательский институт ядерной физики при, Томском политехническом институте (53) 621.387.424(088.8) (56).1.galsh Х.E.,Narchall Т.С.

Schleinger S.P. Generation of coherent Arenbov radiation with on intense relativistic electron beam.—

"Phys. Tluids" 20, Р4, 1977, р. 709-710.

2. Иванов М.И. и др. Исследование параметров сильноточных релятивистских пучков электронов по выходу тормозного излучения. — "Атомная энергия", т.15, вып.4, 1978,.с.280-284 (прототип) .

„SUÄÄ 1109693 А (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО

СПЕКТРА ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. (57) 1. Способ измерения энергетического спектра электронного пучка путем измерения параметров импульсов электромагнитного излучения, возникающего при взаимодействии пучка со средой, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и проведения неразрушающих измерений, взаимодействие электронов осуществляют с последовательностью диэлектрических замедляющих структур с различной степенью замедления, при этом измеряют мощность СВЧ излучения пос- Е ле каждой из диэлектрических замедляющих структур, а по известной степени замедления волн в структурах . С и измеренным значениям мощности ь излучения судят об энергетическом спектре электронного пучка.

1109693

2. Устройство для измерения энер-, гетического спектра электронного пучка, включающее активную среду и систему регистрации, о т л и ч а- ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и проведения неразрушающих измерений, активная среда выполнена в виде наборов диэлектрических замедляющих структур с различной степенью замедления и согласованных нагрузок, а система регистрации представляет собой набор устройств СВЧ связи, подключенных к блоку детектирования, связанному с блоком обработки данных, причем диэлектрические замедляющие структуры последовательно чередуются с устройствами СВЧ связи и согласованными нагрузками.

Изобретение относится к ускорительной технике и может быть использовано для измерения параметров электронных пучков, инжектируемых в ускорители на большие энергии или в мощные релятивистские СВЧ приборы.

Известен способ измерения энергии электронных пучков, основанный на измерснии длины волны черенковского излучения, возникающего при взаимо- 10 действии пучка с диэлектрической замедляющей структурой (1 ).

Такая структура представляет собой отрезок волновода с вставленным в него полым цилиндром из люсита или 15 полиэтилена. При движении электронного пучка через пролетный канал структуры возникает черенковское излучение, которое принимается антенной системы регистрации. Длина волны 20 генерируемых колебаний измеряется с помощью дисперсионной линии, а по известной длине волны и геометрическим размерам диэлектрика судят об энергии электронного пучка. 2S

Такой способ обладает существенным недостатком, так как не позволяет производить измерения энергетического спектра электронного пучка.

В реальных же случаях пучки элект- 3щ роков обладают заметным разбросом

3. Устройство по п.2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что диэлектрические замедляющие структуры выполнены в виде отрезков волноводов одинакового диаметра с вставленными в них полыми диэлектрическими цилиндрами одного внутреннего диаметра и изготовленными из материалов с различной диэлектрической проницаемостью.

4. Устройство по п.2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что диэлектрические замедляющие структуры выполнены в виде отрезков волноводов различных диаметров с вставленными в них полыми диэлектрическими цилиндрами одинакового внутреннего диаметра и выполненными из одного материала.

2 по энергиям. Это обусловлено конечными размерами области фазовой устойчивости движения частиц в циклических и линейных ускорителях, процессами во взрывоэмиссионных диодах, прохождением электронов через анодную фольгу, колоколообразностью формы импульса напряжения в сильноточных ускорителях прямого действия. Для генерации электромагнитного излучения и нагрева плазмы часто используются пучки, удерживаемые внешним магнитным полем. Прохождение через области неоднородности поля также приводит к увеличению разброса. Для многих процессов, основанных на использовании релятивистских электронных пучков и особенно в релятивистской электронике, важнейшим параметром является разброс электронов по продольным скоростям, т.е. спектральный состав пучка по продольным энергиям, измерить который с помощью способа, основанного на измерении длины волны черенковского излучения, невозможно.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения энергетического спектра электронного пучка путем измерения параметров импульсов электромагнитного излучения, возникаю1109693 щего при взаимодействии пучка со средой (2 g.

Устройство, реализующее данный . способ, состоит из активной среды и системы регистрации (2 ). В качестве активной среды используется анод из нержавеющей стали толщиной 1 мм.

Система регистрации включает в себя блок обработки данных на основе осциллографа 6ЛОР и блок чувствитель- 10 ных к у-излучению датчиков. Датчики располагаются в некотором телесном угле, на расстоянии 30-60 см от анода и выполняются на основе сильноточных фотоэлементов в комбинации с 15 пластмассовыми цилиндрическими сцинтилляторами (полистирол+2Ж-ный р-терфил+РОРОР). Каждый датчик снабжается поглотителем, фильтром тормозного излучения, в качестве которого 20 используются свинцовые фольги различной толщины. Во время проведения измерений пучок поглощается на аноде, испуская у -кванты тормозного излучения. 25

По известному поглощению у -квантов в материале анода и фильтров судят об энергии электронов, а по фиксированной энергии электронов абсолютные значения интенсивности тормозного излучения позволяют определить количество электронов данной энергии.

Однако такой способ измерения энергетического спектра электронно- 35

ro пучка имеет существенные недостатки — невозможность проведения неразрушающих измерений и невысокая точность измерений. Такая точность определяется прежде всего тем, что данный способ не позволяет производить измерения параметров реальных пучков, использующихся в эксперименте. А так как параметры существующих сильноточных ускорителей прямо45 го действия или линейных индукционных ускорителей отличаются нестабильностью, то исследованный пучок может не соответствовать реальному.

Другой причиной, снижающей точность

50 измерений, является наличие анода на пути лучка. Это связано с тем, что анод изменяет условия формирования виртуального катода, а заряд электронов, уже выпавших на анод, искажает картину измерений. Плотный

55 пучок заряженных частиц быстро разрушает анод, изменяет форму его поверхности и приводит к изменейию диаграммы направленности тормозного излучения, что также отрицательно сказывается на точности измерений.

Кроме того, при взаимодействии электронов с материалом анода возникает переходное излучение, потери на которое в рамках рассматриваемого способа, не учитывается.

Цель изобретения — повышение точности и проведение неразрушающих измерений энергетического спектра электронного пучка.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения энергетического спектра электронного пучка путем измерения параметров импульсов электромагнитного излучения, возникающего при взаимодействии пучка со средой, взаимодействие электронов осуществляют с последовательностью диэлектрических замедляющих структур с пролетными каналами с различной степенью замедления

СВЧ колебаний, при этом измеряют мощность СВЧ излучения после каждой из диэлектрических замедляющих структур, а по известной степени замедления волн в структурах и из- . меренным значениям мощности излучения судят об энергетическом спектре электронного пучка.

Для предлагаемого способа нет принципиальных ограничений на величину различий степени замедления структур и при реализации способа они выбираются исходя из чувствительности системы регистрации. После каждой структуры измеряют мощность

СВЧ излучения, которая зависит от степени замедления диэлектрических замедляющих структур и спектрального энергетического состава пучка. По известным степеням замедления и мощности излучения определяют функцию распределения электронов по энергиям. Мощность спонтанного черенковского излучения, а следовательно, потери энергии электронами незначительны. Поэтому пучок после процесса измерений оказывается практически невозмущенным, т.е. использование в качестве активной греды диэлектрических замедляющих структур, обладающих слабой связью с пучком, позволяет избежать влияния анода на измеряемые параметры. В результате этого повышается точность измерений и открывается возможность неразрушаю693 6

5 1109 щего измерения энергетического спектра электронных пучков.

Укаэанная цель в устройстве для осуществления данного способа достигается тем, что в устройстве,, содер5 жащем активную среду и систему регистрации, активная среда выполнена в виде наборов диэлектрических замедляющих структур с различной степенью замедления и согласованных нагрузок, а система регистрации представляет собой набор устройств СВЧ связи, подключенных к блоку детектирования, связанному с блоком обработки данных, причем диэлектрические замедляющие структуры последовательно чередуются с устройствами СВЧ связи и согласован/ ными нагрузками. Такое выполнение устройства позволяет реализовать предпредлагаемый способ, и повысив точность, производить неразрушающие измерения энергетического спектра электронных пучков.

Изменения степени замедления структуры при постоянной поперечной геометрии электронного пучка можно добиться различными вариантами, один из которых отличается тем, что диэлектрические замедляющие структуры выполнены в виде отрезков волноводов

30 одинакового диаметра с вставленными в них полыми диэлектрическими цилиндрами одного внутреннего диаметра и изготовленными из материалов с различной диэлектрической проницаемостью. 35

Другой вариант отличается тем, .что диэлектрические замедляющие структуры выполняются в виде отрезков волноводов различных диаметров с вставленными в них полыми диэлектрическими цилиндрами одинакового внутреннего диаметра и выполненными из одного материала.

Но так как увеличение диэлектрической проницаемости диэлектрика или 45 его внешнего диаметра приводит к одному и тому же эффекту — увеличению степени замедления электромагнитной волны в диэлектрических замедляющих структурах, — то случай реализации способа можно рассмотреть на примере устройства для его осуществления, в котором замедляющие . структуры отличаются диэлектрической проницаемостью материала.

На чертеже показано устройство для измерения спектра пучка.

Устройство состоит из набора диэлектрических замедляющих структур 1 выполненных из материалов с различной диэлектрической проницаемостью, последовательно чередующихся с устройствами 2 СВЧ связи и согласованными нагрузками 3. Устройства 2 СВЧ связи подключены к блоку 4 детектирования, который связан с блоком 5 обработки данных. С помощью устройст, ва 2 СВЧ связи часть генерируемой мощности в каждой диэлектрической замедляющей структуре 1 подается на блок 4 детектирования. Диэлектрические замедляющие структуры 1 помещаются в волновод 6. Для того, чтобы исключить СВЧ связь между диэлектрическими замедляющими структурами

1, после каждого устройства 2 СВЧ связи устанавливается согласованная нагрузка 3 длиной несколько длин волн.

Рассмотрим способ измерения энергетического спектра электронного пучка на примере работы устройства, так как предлагаемый способ может быть реализован только в предлагаемом устройстве.

Измеряемый электронный пучок подают на вход замедляющей структуры

1. При взаимодействии электронов с материалом диэлектрических замедляющих структур 1 возникает спонтанное черенковское излучение. Мощность этого излучения . зависит от геометрических размеров, диэлектрической проницаемости замедляющих структур

1 и энергетического спектра пучка нри фиксированной величине тока.

Уровень мощности после каждой из диэлектрической замедляющей структур

1 с помощью устройств 2 СВЧ связи, блока 4 детектирования и блока 5 обработки данных измеряют. СВЧ излучение, которое не ушло в систему регистрации, поглощают на согласованных нагрузках 3. По известным степеням замедления волн в структурах и измеренным значениям мощности излучения судят об энергетическом спектре электронного пучка.

Более подробно принцип работы устройства, осуществляющего предлагаемый способ, поясняется следующим.

Пусть 7/-потери энергии в единицу времени одного электрона, который пролетает в канале радиуса ot, проделанном в волноводе 6 радиуса Ь, заполненном диэлектрической замедляю1109693 где С вЂ” ско10

7 щей структурой 1 параллельно оси на расстоянии 1 от оси, на черенковское излучение в фиксированном интервале частот Ь „, > ). Если выбрать длинноволновую границу интервас ла так, что ® » г —

1 а- 1 рость света, -диэлектрическая проницаемость материала, то

В случае сплошного однородного пучка с максвелловским распределением, длительность импульса которого много больше среднего времени пролета электроном диэлектрической замедляющей структуры 1

ОО Оf27))t- (P о

Р- Яре- z %(р,г,М)Ыг., (2} т

2 р

lYl C 0 где )5С вЂ . скорость электрона; 15

5 (м ) — потери энергии одного элект" рона на,черенковском излучении на

vl,(w, )=

2 2

05 ggPC

+E(E-)гг-<) — )+(р )(«) 30

ы -корни уравнения j д (g «) w «)1Ц -1

05 2 05 рс 21рс

51 5 — а не, что ы1 у=(1- Р )-1(2 релятивистский фактор, .

3 — модифицированная функция Бесселя; заряд электрона, Г =0,577 — постоянная Эйлера.

Видно, что 7Ч= % (р, г,jNj, где = эу пс- импульс электрона, à M— набор параметров а,в, g J, характеризующих данную структуру, в — масса электрона.

Рассмотрим теперь некогерентное черенковское излучение пучка электронов, движущегося в данной структу. ре. В пренебрежении влиянием поперечного движения на излучение (нерелятивистские поперечные импульсы), выражение для мощности, излучаемой в интервале частот (ш„, м ) пучком частиц, записывается в виде

p) l=(wjp,+l<(p,v)dpdp где f (p r ) —. функция распределения электронов по координате и продольному импульсу. — средний продольный импульс электронов, — разброс; — плотность пучка, — радиус пучка; — длина структуры, Ро

Рт

l0

Ь вЂ” минимальное значение импульса, при котором существует черенковское излучение.

5) (ро т решение которой и дает неизвестные параметры р, р . Такой подход целет сообразен при абсолютно точных измерениях экспериментальных значений P ....) э

В случае измерения значений Р „. с помехами общепринятый подход методики наименьших квадратов диктует.Таким образом, Р=Р(р P M)> т.е. мощность, излучаемая в интервале частот ),, Ю )в любой из диэлектрических замедляющих структур 1, есть функция двух переменных (Р, Р ) о и набора параметров M. С помощью предварительно калиброванных устройств

2 СВЧ связи и блока 4 детектирования определяются величины мощности излучения в каждой из структур 1 в фиксированном диапазоне частот (iи„, и

Экспериментально определенную мощность в i --й структуре обозначим P °

Э1 7 т. е. при g = j =1, 2...М, Очевидйо, минимально необходимое число измерений мощности И =2. В этом случае имеем систему двух управлений с двумя неизвестными

1109693

10 (4} 45

9 выбор .М> 2, при этом погрешность оцениваемых значений Р, Р имеет порядок C> (}%, где 6 — дисйерсия случайной величины помехи в предположении ее нормального распределения.

Далее составляется функция суммы квадратичных невязок

2 ф р -р(р р ")) (ь1

1 и значения Р и Р., при которых эта функция минимальна, определяют величины среднего импульса пучка и теплового разброса. 15

Функция (3) существенно нелинейна по параметрам ро, р . Ee минимум т может быть найден одним из методов минимизации квазиньютоновского класса. 20

В предлагаемом устройстве величина

И выбрана равной 4, что обеспечивает сравнительно хорошую точность оценки.

Блок 5 обработки данных осуществляет вычисление и минимизацию функции (3) и, таким образом, определяется спектр электронного пучка.

Здесь необходимо отметить сле- З0 дующее. Формула (2) описывает некогерентное спонтанное черенковское излучение электронов пучка. А описанная выше структура может генерировать мощное электромагнитное излуче- З5 ние, как лампа бегущей волны, работающая в режиме усиления собственных шумов. Аналитического выражения для излучаемой при этом мощности не существует. Поэтому изложенный 40 способ может быть применен для диагностики пучков, токи которых не превышает значения, определяемого выражением

1(3 0421

1 п„ск- 4 3 заМ где 0 — напряжение, соответствующее кинетической энергии электронов; (L — число замедленных длин волн, зим укладывающихся вдоль структуры, Р ф — сопротивление связи замедляющей системы, которую представляет собой структура.

Величина должна быть достаточно большой, так как формула (1) получена в предположении L)rb .

Простые оценки показывают, что

L при > — 10 условие (4) выползем няется для самых интенсивных, имеющихся в настоящее время, пучков линейных резонансных ускорителей электронов,и микротронов.

Для диагностики низкоэнергетических и сильноточных пучков линейных индукционных ускорителей и особенно сильноточных ускорителей. прямого действия необходимо обеспечить достаточно малое сопротивление связи структуры. Это достигается увеличением радиуса пролетного канала по сравнению с размерами пучка. При этом диапаэОн частОт )601 2) сдвигается в длинноволновую область, что приводит к необходимости увеличения длины структуры.

Рассмотрим пример конкретного исполнения устройства для реализации данного способа.

Пусть для исследования генерации электромагнитного излучения в лазере на свободных электронах на оснэве электронного пучка микротрона с энергией 5 МэВ и током 18 А необходимо производить постоянные неразрушающие измерения спектра пучка. Между выходом микротрона и лазером на свободных электронах в магнитном поле лазера устанавливается устройство для измерения энергии электронного пучка по измерению параметров импульсов электромагнитного излучения, возникающего при взаимодействии пучка со средой. Уст-. ройство помещается в волновод, который образует одну вакуумную систему с лазером. В качестве материала для выполнения структур используются фторопласт 4, полиэтилен, эбонит и текстолит, имеющие диэлектрическую проницаемость соответственно 2,08; 2,26;

2,67, 3,67. Для реализации данного способа не имеет значения во сколько раз различаются величины диэлектрических проницаемостей замедляющих структур. Поэтому выбор материалов для изготовления их определяется лишь доступностью материала и разрешающей способностью системы регистрации. Степени замедления в этом случае равны 1, 162; 1, 177, 1,206;

1,254, соответственно. Длина одной структуры 8 см, радиус пролетного канала 10 мм, радиус волновода 15 мм.

Устройства СВЧ связи представляют собой электрические зонды с полосо1109693

Составитель В. Дрыгин

Редактор E. Папп Техред С.Мигунова

Корректор О.Тигор

Заказ 6026/31 Тираж 711 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 выми фильтрами, настроенные и калиброванные в диапазоне длин волн

8-10 мм. Согласованные нагрузки выполняются конусными из графита, длиной 3 см. Детектирование СВЧ сигналов производится с помощью криоген.ных детекторов на горячих носителях.

Первичная обработка данных произ— водится на осциллографе ИНИ-3, а окончательная на ЭВМ. Информация 10 выводится на дисплей и цифропечать, Другим вариантом конкретного исполнения устройства для реализации предлагаемого способа является прибор, у которого все замедляющие структуры выполнены из полиэтилена с одинаковым диаметром пролетного канала, но разной толщиной диэлектрика. Волновод в этом случае выполняется ступенчатым и имеет 4 участка 20 по 10 см каждый с радиусом 13,15,17 и 20 мм соответственно. Система регистрации при этом не изменяется.

Таким образом, предлагаемый способ измерения энергетического спектра электронного пучка по сравнению с известным способом позволяет устранить присущие базовому способу недостатки и производить измерение спектра без разрушения электронного 30 пучка. Использование устройства на основе предлагаемого способа позволяет повысить точность измерений реальных пучков, параметры которых являются критичными для работоспособности электрофизических установок, в которых они используются. Это связано с тем, что устройство на основе предлагаемого способа, в отличие от базового, имеет слабую связь 40 с пучком и не оказывает влияния на изменяемые параметры, в то время, как устройства на основе базового способа при размещении анода на пути пучка изменяют распределение пространственного заряда и искажают картину из-за влияния заряда, уже выпавшего на коллектор, тогда как предлагаемые устройства исследуют пучок, находящийся в действительных условиях конкретного эксперимента и почти не влияют на него, так как потери энергии электронов на черенковское излучение малы. Достоинство предлагаемого способа заключается также в том, что последовательный анализ и обработка данных во время импульса тока ускорителя позволяет не только регистрировать распределение заряженных частиц по энергиям, но и проследить его временную эволюцию.

С применением неразрушающего текущего контроля открываются широкие возможности для объяснения многих физических явлений в работе ускорителей сверхвысоких энергий при нагреве плазмы и при генерации мощного

СВЧ излучения в приборах релятивистской электроники для целей радиолокации, разделения изотопов и исследования тонких структур биологических объектов, что имеет важное народнохозяйственное значение.

Использование предлагаемого способа и устройства, его реализующего, позволяет производить дистанционные измерения и автоматизировать обработку данных с включением предлагаемого прибора в систему сброса и первичной обработки информации на ЭВМ.